EP2247832A2 - Intégration d'un appareil de séparation d'air et d'un cycle à réchauffage de vapeur - Google Patents

Intégration d'un appareil de séparation d'air et d'un cycle à réchauffage de vapeur

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EP2247832A2
EP2247832A2 EP09711757A EP09711757A EP2247832A2 EP 2247832 A2 EP2247832 A2 EP 2247832A2 EP 09711757 A EP09711757 A EP 09711757A EP 09711757 A EP09711757 A EP 09711757A EP 2247832 A2 EP2247832 A2 EP 2247832A2
Authority
EP
European Patent Office
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turbine
pressure
separation apparatus
compressor
steam
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09711757A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marie Cognard
Richard Dubettier-Grenier
Jens Juckel
Patrick Le Bot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Primetals Technologies Austria GmbH
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Siemens VAI Metals Technologies GmbH and Co
Siemens VAI Metals Technologies GmbH Austria
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
Priority claimed from FR0851004A external-priority patent/FR2927654A1/fr
Priority claimed from FR0852296A external-priority patent/FR2929696A1/fr
Application filed by Siemens VAI Metals Technologies GmbH and Co, Siemens VAI Metals Technologies GmbH Austria, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Siemens VAI Metals Technologies GmbH and Co
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/80—Hot exhaust gas turbine combustion engine
    • F25J2240/82—Hot exhaust gas turbine combustion engine with waste heat recovery, e.g. in a combined cycle, i.e. for generating steam used in a Rankine cycle

Definitions

  • the present invention relates to the integration of an air separation apparatus and a steam heating cycle.
  • a booster of an air separation apparatus is a tablet that compresses air already compressed to a pressure of at least 5 bar.
  • water vapor 7 enters the high-pressure turbine T1 at 130 bar and 540 ° C. and is then expanded to 30 bar and approximately 300 ° C. forming the flow rate 9.
  • the flow 9 returns then in a boiler B where it is heated up to about 540 ° C before being sent to the low-pressure turbine T2 where it is expanded to the pressure of the condenser R typically 150 mbar, then the condensates 11 are pumped by the pump P and returned as flow 5 to the boiler B where they are de-subcooled to their boiling point, then vaporized, and finally superheated to 540 ° C. by heat exchange with a residual flow rate 1 from a gas turbine and possibly an afterburner.
  • the fumes 3 are discharged from the boiler.
  • the high-pressure turbine T1 and the low-pressure turbine T2 can not be combined into a single body.
  • the alternator G equipped with a double-ended shaft is driven by the two turbines the high-pressure turbine T1 rotates at a higher speed than the low-pressure turbine T2
  • a reheat cycle is a cycle in which water vapor at high pressure HP (typically over 50 bar) and superheated (typically at a temperature of about 400 to 500 ° C) is relaxed in a first time.
  • turbine at a first pressure IP typically less than 50 bar
  • IP typically less than 50 bar
  • a temperature close to the temperature of the HP vapor before expansion typically the temperature difference between these two vapors is less than 100 0 C
  • a second turbine at a pressure less than atmospheric pressure (typically equivalent to 0.2 bar abs.)
  • a steam-cycle work generation method in which: a) the water vapor is expanded in a first turbine from a high pressure, generally at above 50 bar, and a high temperature to an intermediate pressure b) the steam is heated to intermediate pressure without substantially changing its pressure c) is expanded in a second turbine water vapor heated to the intermediate pressure up to a low pressure, typically subatmospheric, and a low temperature d) at least a portion of the expanded flow rate is condensed in the second turbine to form a condensed flow; e) two or more steps are optionally pressurized; condensed flow to form a pressurized flow rate f) at least a portion of the pressurized flow is heated to form a heated flow rate g) at least a portion of the heated flow rate is sent to the first turbine h) a fluid for or from an air separation apparatus is compressed in at least one compressor coupled to at least one of the first and second turbines.
  • At least part of the work generated by at least one of the first and second turbines is used to generate electricity
  • the first turbine drives a main compressor of an air separation apparatus and / or an air booster of an air separation apparatus and / or a product compressor of an air separation apparatus
  • the second turbine drives a main compressor of an air separation apparatus and / or an air booster of an air separation apparatus and / or a product compressor of an air separation apparatus ;
  • the first turbine and the second turbine are on the same shaft line and drive an air compressor of an air separation apparatus or a product compressor of a separating apparatus and possibly also a generator;
  • one or more auxiliary turbines are installed in parallel with the first turbine or the second turbine, the auxiliary turbine or turbines possibly driving a generator and / or a fuel gas compressor and / or a gas compressor produced by the unit of air separation;
  • step b) and / or f) takes place at least partially in at least one boiler
  • At least one boiler is supplied with a waste gas from a gas turbine, the gas turbine possibly being supplied with a gas coming from the air separation apparatus and possibly fed with a gas coming from a steelmaking process ;
  • the steelmaking process is a "smelting reduction" process such as COREX®, FINEX® or a process derived from one of these two processes;
  • At least one boiler is heated by combustion of a fuel, possibly from a steelmaking process, in the presence of an oxygen-containing gas;
  • the first and second turbines are not on the same shaft line
  • At least one of the first and second turbines drives a first compressor that compresses fluid for or from a first air separation apparatus and a second compressor that compresses a fluid for or from a second separation apparatus air;
  • At least one of the first and second turbines is on the same shaft as a third turbine forming part of an independent steam cycle;
  • the independent steam cycle is a Rankine cycle with reheating;
  • the intermediate-pressure water vapor is heated without substantially modifying its pressure in a first boiler, part of the steam intended for the first turbine comes from a second boiler and the steam is expanded at a low pressure in the first turbine is returned to the second boiler after cooling and pumping.
  • the invention comprises a steam cycle comprising a first and a second turbine, means for sending a flow of water at high pressure in the first turbine, means for heating the flow relaxed in the first turbine, these means possibly comprising a boiler, means for sending the heated water vapor to the second turbine to relax it to a low pressure, typically subatmospheric, and a low temperature, means for and means for compressing a fluid for or from an air separation apparatus in at least one compressor coupled to at least one of the first and second turbines.
  • the cycle may include:
  • an electricity generator coupled to at least one of the first and second turbines
  • the first turbine drives a main compressor of an air separation apparatus and / or an air booster of an air separation apparatus and / or a product compressor of an air separation apparatus ;
  • the second turbine drives a main compressor of an air separation apparatus and / or an air booster of an air separation apparatus and / or a product compressor of an air separation apparatus ;
  • the first turbine and the second turbine are on the same shaft line and drive an air compressor of an air separation apparatus or a product compressor of a separating apparatus and possibly also a generator;
  • the means for heating the expanded flow rate in the first turbine comprise at least one boiler; at least one boiler is supplied with a waste gas from a gas turbine, the gas turbine possibly being supplied with a gas coming from the air separation apparatus;
  • At least one boiler is heated by combustion of a fuel in the presence of an oxygen-containing gas
  • the first and second turbines are not on the same shaft line
  • At least one of the first and second turbines drives a first compressor that compresses fluid for or from a first air separation apparatus and a second compressor that compresses a fluid for or from a second separation apparatus air;
  • At least one of the first and second turbines is on the same shaft as at least one third turbine forming part of an independent steam cycle;
  • the independent steam cycle is a Rankine cycle with reheating
  • the cycle comprises a first boiler for heating the steam at intermediate pressure without substantially modifying its pressure, a second boiler, means for sending steam from the second boiler to the first turbine, means for cooling steam; expanded at a low pressure in the first turbine, means for pumping the condensed vapor and means for returning the condensed vapor to the second boiler.
  • a heating-reheat cycle is used as described above for mechanically driving at least one compressor of an air separation apparatus.
  • the condensates 11 are pumped by the pump P and returned as flow 5 to the boiler B where they are de-subcooled to their boiling point, then vaporized, and finally superheated to 540 0 C. by heat exchange with a residual flow 1 from a gas turbine and possibly an afterburner or the burner of a conventional boiler.
  • the fumes 3 are discharged from the boiler.
  • the two turbines T1, T2 are attached to a double-ended shaft which drives the generator G and the compressor 13 of an air separation apparatus C producing an air flow 13 at a pressure between 5 and 12 bar.
  • an air booster BC of an air separation apparatus can be driven by the two turbines T1, T2 and produces an air flow 15 at between 12 and 40 bar.
  • the compression of the condensates can be done in two steps: a first step where the condensates are pumped to a pressure of about 5 bar, then partially de-cooled and then deaerated (removal of air dissolved) by steam injection, and finally pumped down to the inlet pressure of the High Pressure turbine (-130 bar).
  • the condensates 11 are pumped by the pump P and returned as flow 5 to the boiler B where they are de-subcooled to their boiling point, then vaporized, and finally superheated to 540 0 C by heat exchange with a residual flow from a gas turbine and possibly an afterburner or the burner of a conventional boiler ..
  • the fumes are rejected from Boiler.
  • the first turbine T1 is coupled to a generator G and the second turbine T2 is attached to a shaft which drives the compressor 13 of an air separation apparatus C producing an air flow 13 at a pressure between 5 and 12 bar .
  • an air booster BC of an air separation apparatus may be driven by the second turbine T2 and produce an air flow of between 12 and 40 bar.
  • a generator G is driven by the turbine T2. With this arrangement, machines can be maintained independently.
  • one (or more) auxiliary turbine T3 can be installed in parallel with the turbine T2 and relax the excess steam not consumed by the turbine T2. This turbine T3 can drive a generator and / or a fuel gas compressor (which feeds a gas turbine).
  • the condensates 11 are pumped by the pump P and returned as flow 5 to the boiler B where they are de-subcooled to their boiling point, then vaporized, and finally superheated to 540 ° C. heat exchange with a residual flow from a gas turbine and possibly afterburner or the burner of a conventional boiler.
  • the fumes are discharged from the boiler.
  • the first turbine T1 is coupled to the compressor 13 of an air separation apparatus C producing an air flow 13 at a pressure between 5 and 12 bar and possibly a generator G.
  • a The air booster BC of an air separation apparatus can be driven by the first turbine T1 and produces an air flow 15 at between 12 and 40 bar.
  • the second turbine T2 drives a generator G.
  • auxiliary turbine T3 can be installed in parallel with the turbine T1 and relax the excess steam not consumed by the turbine T1.
  • This turbine T1 can drive a generator and / or a fuel gas compressor (which feeds a gas turbine).
  • the condensates 11 are pumped by the pump P and returned as flow 5 to the boiler B where they are subcooled to their boiling point, then vaporized, and finally superheated to 540 0 C by exchange heat with a residual flow from a gas turbine and possibly afterburner or the burner of a conventional boiler.
  • the fumes are discharged from the boiler.
  • the first turbine T1 is coupled to the air booster BC of an air separation apparatus and produces an air flow of between 12 and 40 bar. It is optionally also coupled to a generator G.
  • the second turbine T2 drives the compressor 13 of an air separation apparatus C producing an air flow 13 at a pressure between 5 and 12 bar and possibly a generator G.
  • auxiliary turbine T3 can be installed in parallel with the turbine T1 and relax the excess steam not consumed by the turbine T1.
  • This turbine T1 can drive a generator and / or a fuel gas compressor (which feeds a gas turbine).
  • auxiliary turbine T4 can be installed in parallel with the turbine T2 and relax the excess steam. consumed by the turbine T2.
  • This turbine T4 can drive a generator and / or a fuel gas compressor (which feeds a gas turbine).
  • the condensates 11 are pumped by the pump P and returned as flow 5 to the boiler B where they are de-subcooled to their boiling point, then vaporized, and finally superheated to 540 ° C. heat exchange with a residual flow from a gas turbine and possibly afterburner or the burner of a conventional boiler.
  • the fumes are discharged from the boiler.
  • the first turbine T1 is coupled to the compressor 13 of an air separation apparatus C producing an air flow 13 at a pressure between 5 and 12 bar and possibly a generator G.
  • the air booster BC of a Air separation apparatus is driven by the second turbine T2 and produces an air flow 15 at between 12 and 40 bar.
  • the second turbine T2 possibly drives a generator G.
  • auxiliary turbine T3 can be installed in parallel with the turbine T1 and relax the excess steam not consumed by the turbine T1.
  • This turbine T1 can drive a generator and / or a fuel gas compressor (which feeds a gas turbine).
  • auxiliary turbine T4 can be installed in parallel with the turbine T2 and relax the excess steam not consumed by the turbine T2.
  • This turbine T4 can drive a generator and / or a fuel gas compressor (which feeds a gas turbine).
  • the condensates 11 are pumped by the pump P and returned as flow 5 to the boiler B where they are de-subcooled to their boiling point, then vaporized, and finally superheated to 540 ° C. by heat exchange with a residual flow from a gas turbine and possibly an afterburner or the burner of a conventional boiler.
  • the fumes are discharged from the boiler.
  • the first turbine T1 is coupled to the compressor of a first air separation apparatus C producing an air flow 13 at a pressure between 5 and 12 bar and possibly a generator G.
  • the second turbine T1 is coupled to the compressor C of a second air separation unit, producing an air flow 13 'at a pressure between 5 and 12 bar, and possibly a generator G.
  • Figure 8 illustrates a cycle where two boilers B 1 B 'are integrated.
  • FIG. 9 illustrates a cycle in which two boilers B1, B2 are used.
  • high pressure steam 101 from a first boiler B1 is mixed with high pressure steam 107 from a second boiler B2 to form a flow 109.
  • This common flow 109 is expanded in a turbine T1.
  • a flow of steam 103 is withdrawn intermediate the turbine T1 and a flow 105 expanded throughout the turbine T1 is cooled, pumped and recycled in the second boiler B2.
  • the flow 103 is returned to the first boiler B1 where it heats up.
  • the heated flow rate 9 is expanded in a turbine T2 which drives at least one compressor C of an air separation apparatus.
  • the expanded steam is recycled to the first boiler after cooling R 'and pumping P'.

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Abstract

Dans un procédé degénération de travail à cycle de vapeur d'eau,on détend la vapeur d'eau dans une première turbine (T1) à partir d'une haute pression, généralement au-dessus de 50 bars, et une température élevée jusqu'à une pression intermédiaire, on réchauffe la vapeur d'eau à pression intermédiaire sans modifier substantiellement sa pression, on détend dans une deuxième turbine (T2) de la vapeur d'eau réchauffée à la pression intermédiaire jusqu'à une basse pression, typiquement subatmosphérique, et une basse température, on condense au moins une partie du débit détendu dans la deuxième turbine, on pressurise au moins une partie du débit condensé, on réchauffe au moins une partie du débit pressurisé pour former un débit réchauffé, on envoie au moins une partie du débit réchauffé à la première turbine et on comprime un fluide destine à ou provenant d'un appareil de séparation d'air dans au moins un compresseur (C, BC) couplé à au moins une des première et deuxième turbines.

Description

Intégration d'un appareil de séparation d'air et d'un cycle à réchauffage de vapeur
La présente invention concerne l'intégration d'un appareil de séparation d'air et d'un cycle à réchauffage de vapeur.
Il est connu d'utiliser dans une centrale électrique un cycle de vapeur comportant une étape de réchauffage de la vapeur afin d'améliorer le rendement énergétique de l'installation, appelé le cycle de Rankine avec réchauffage.
Toutes les pressions mentionnées sont des pressions absolues.
Un surpresseur d'un appareil de séparation d'air est un comprime qui comprime de l'air déjà comprimé à une pression d'au moins 5 bars.
Comme on voit à la Figure 1 , de la vapeur d'eau 7 entre dans la turbine haute pression T1 à 130 bars et 5400C, puis est détendue à 30 bars et environ 3000C formant le débit 9. Le débit 9 retourne alors dans une chaudière B où elle est réchauffée jusqu'à environ 540°C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R typiquement 150 mbar, puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont dé sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 5400C par échange de chaleur avec un débit résiduaire 1 provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une post-combustion. Les fumées 3 sont rejetées de la chaudière.
Pour des raisons de contrainte thermique, la turbine haute pression T1 et la turbine basse pression T2 ne peuvent être combinées en un seul corps.
Typiquement : l'alternateur G muni d'un arbre à double extrémité est entraîné par les deux turbines la turbine haute pression T1 tourne à une vitesse supérieure à la turbine basse pression T2
Un cycle de vapeur à réchauffage est un cycle dans lequel de la vapeur d'eau à une haute pression HP (typiquement plus de 50 bar) et surchauffée (typiquement à une température d'environ 400 à 500°C) est détendue dans une première turbine à une première pression IP (typiquement moins de 50 bar) puis est réchauffé à cette pression jusqu'à une température proche de la température de la vapeur HP avant la détente (typiquement la différence de température entre ces deux vapeurs est inférieure à 1000C), et enfin détendu dans une deuxième turbine à une pression inférieure à la pression atmosphérique (typiquement équivalente à 0.2 bar abs.)
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de génération de travail à cycle de vapeur d'eau dans lequel : a) on détend la vapeur d'eau dans une première turbine à partir d'une haute pression, généralement au-dessus de 50 bars, et une température élevée jusqu'à une pression intermédiaire b) on réchauffe la vapeur d'eau à pression intermédiaire sans modifier substantiellement sa pression c) on détend dans une deuxième turbine de la vapeur d'eau réchauffée à la pression intermédiaire jusqu'à une basse pression, typiquement subatmosphérique, et une basse température d) on condense au moins une partie du débit détendu dans la deuxième turbine pour former un débit condensé e) on pressurise, éventuellement en deux étapes, au moins une partie du débit condensé pour former un débit pressurisé f) on réchauffe au moins une partie du débit pressurisé pour former un débit réchauffé g) on envoie au moins une partie du débit réchauffé à la première turbine h) on comprime un fluide destine à ou provenant d'un appareil de séparation d'air dans au moins un compresseur couplé à au moins une des première et deuxième turbines.
Eventuellement :
- au moins une partie du travail généré par au moins une des première et deuxième turbines sert à générer de l'électricité ;
- la première turbine entraîne un compresseur principal d'un appareil de séparation d'air et/ou un surpresseur d'air d'un appareil de séparation d'air et/ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation d'air ; - la deuxième turbine entraîne un compresseur principal d'un appareil de séparation d'air et/ou un surpresseur d'air d'un appareil de séparation d'air et/ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation d'air ;
- la première et/ou la deuxième turbine entraîne(nt) un générateur ;
- la première turbine et la deuxième turbine sont sur une même ligne d'arbre et entraînent un compresseur d'air d'un appareil de séparation d'air ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation et éventuellement aussi un générateur ;
- une ou plusieurs turbines auxiliaires sont installées en parallèle de la première turbine ou de la deuxième turbine, la ou les turbines auxiliaires entraînant possiblement un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible et/ou un compresseur de gaz produit par l'unité de séparation d'air ;
- l'étape b) et/ou f) a (ont) lieu au moins partiellement dans au moins une chaudière ;
- au moins une chaudière est alimentée par un gaz résiduaire d'une turbine à gaz, la turbine à gaz étant éventuellement alimenté par un gaz provenant de l'appareil de séparation d'air et éventuellement alimenté par un gaz provenant d'un procédé sidérurgique ;
- le procédé sidérurgique est un procédé de type « smelting réduction » tel qu'un COREX ®, un FINEX ® ou un procédé dérivé d'un de ces deux procédés ;
- au moins une chaudière est chauffé par combustion d'un combustible, éventuellement provenant d'un procédé sidérurgique, en présence d'un gaz contenant de l'oxygène ;
- la première et la deuxième turbine ne sont pas sur la même ligne d'arbre ;
- au moins une des première et deuxième turbines entraîne un premier compresseur qui comprime un fluide destiné à ou provenant d'un premier appareil de séparation d'air et un deuxième compresseur qui comprime un fluide destiné à ou provenant d'un deuxième appareil de séparation d'air ;
- au moins une des première et deuxième turbines est sur le même arbre qu'une troisième turbine faisant partie d'un cycle de vapeur indépendante ; - le cycle de vapeur indépendante est un cycle de Rankine avec réchauffage ;
- on réchauffe la vapeur d'eau à pression intermédiaire sans modifier substantiellement sa pression dans une première chaudière, une partie de la vapeur destinée à la première turbine provient d'une deuxième chaudière et de la vapeur détendue à une basse pression dans la première turbine est renvoyée vers la deuxième chaudière après refroidissement et pompage.
Selon un autre objet, l'invention comprend un cycle à vapeur d'eau comprenant une première et une deuxième turbine, des moyens pour envoyer un débit de vapeur d'eau à haute pression dans la première turbine, des moyens pour réchauffer le débit détendu dans la première turbine, ces moyens comprenant éventuellement une chaudière, des moyens pour envoyer la vapeur d'eau réchauffée à la deuxième turbine pour le détendre jusqu'à une basse pression, typiquement subatmosphérique, et une basse température, des moyens pour et des moyens pour comprimer un fluide destine à ou provenant d'un appareil de séparation d'air dans au moins un compresseur couplé à au moins une des première et deuxième turbines.
Eventuellement, le cycle peut comprendre :
- un générateur d'électricité couplé à au moins une des première et deuxième turbines ;
- la première turbine entraîne un compresseur principal d'un appareil de séparation d'air et/ou un surpresseur d'air d'un appareil de séparation d'air et/ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation d'air ;
- la deuxième turbine entraîne un compresseur principal d'un appareil de séparation d'air et/ou un surpresseur d'air d'un appareil de séparation d'air et/ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation d'air ;
- la première turbine et la deuxième turbine sont sur une même ligne d'arbre et entraînent un compresseur d'air d'un appareil de séparation d'air ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation et éventuellement aussi un générateur ;
- les moyens pour réchauffer le débit détendu dans la première turbine comprennent au moins une chaudière ; - au moins une chaudière est alimentée par un gaz résiduaire d'une turbine à gaz, la turbine à gaz étant éventuellement alimenté par un gaz provenant de l'appareil de séparation d'air ;
- au moins une chaudière est chauffée par combustion d'un combustible en présence d'un gaz contenant de l'oxygène ;
- la première et la deuxième turbine ne sont pas sur la même ligne d'arbre ;
- au moins une des première et deuxième turbines entraîne un premier compresseur qui comprime un fluide destiné à ou provenant d'un premier appareil de séparation d'air et un deuxième compresseur qui comprime un fluide destiné à ou provenant d'un deuxième appareil de séparation d'air ;
- au moins une des première et deuxième turbines est sur le même arbre qu'au moins une troisième turbine faisant partie d'un cycle de vapeur indépendante ;
- le cycle de vapeur indépendante est un cycle de Rankine avec réchauffage ;
- le cycle comprend une première chaudière pour réchauffer la vapeur d'eau à pression intermédiaire sans modifier substantiellement sa pression, une deuxième chaudière, des moyens pour envoyer de la vapeur de la deuxième chaudière à la première turbine, des moyens pour refroidir de la vapeur détendue à une basse pression dans la première turbine, des moyens pour pomper la vapeur condensée et des moyens pour renvoyer la vapeur condensée à la deuxième chaudière.
Selon l'invention, on utilise un cycle de vapeur à réchauffage tel que décrit ci-dessus pour entraînement mécanique d'au moins un compresseur d'un appareil de séparation d'air.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures 2 à 9 qui illustrent des cycles intégrés selon l'invention.
Dans la Figure 2, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 5400C, puis est détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 3000C formant le débit 9. Le débit 9 retourne alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 5400C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R, cette pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont dé-sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 5400C par échange de chaleur avec un débit résiduaire 1 provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une post-combustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle. Les fumées 3 sont rejetées de la chaudière.
Les deux turbines T1 ,T2 sont fixées à un arbre à double extrémité qui entraîne le générateur G et le compresseur 13 d'un appareil de séparation d'air C produisant un débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 bars. Alternativement ou additionnellement, un surpresseur d'air BC d'un appareil de séparation d'air peut être entraîné par les deux turbines T1 ,T2 et produit un débit d'air 15 à entre 12 et 40 bars.
Dans les figures qui suivent, les débits 1 ,3 des figures 1 et 2 ne figurent pas mais sont néanmoins présents.
Dans une réalisation pratique, la compression des condensats peut se faire en deux étapes : une première étape où les condensats sont pompés jusqu'à une pression d'environ 5 bar, puis partiellement dé-sous refroidis, puis désaérés (élimination de l'air dissous) par injection de vapeur, et enfin repompés jusque la pression d'admission de la turbine Haute Pression (-130 bar).
Dans la Figure 3, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 540°C, puis est détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 3000C formant le débit 9. Le débit 9 retourne alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 540°C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R, cette pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont dé sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 5400C par échange de chaleur avec un débit résiduaire provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une post- combustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle.. Les fumées sont rejetées de la chaudière.
La première turbine T1 est couplée à un générateur G et la deuxième turbine T2 est fixées à un arbre qui entraîne le compresseur 13 d'un appareil de séparation d'air C produisant un débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 bars. Alternativement ou additionnellement, un surpresseur d'air BC d'un appareil de séparation d'air peut être entraîné par la deuxième turbine T2 et produit un débit d'air 15 à entre 12 et 40 bars. Alternativement ou additionnellement un générateur G est entraîné par la turbine T2. Avec cette disposition, on peut faire la maintenance des machines de façon indépendante. Additionnellement une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T3 peut être installée en parallèle de la turbine T2 et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine T2. Cette turbine T3 peut entraîner un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz).
Dans la Figure 4, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 5400C, puis est détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 300°C formant le débit 9. Le débit 9 retourne alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 5400C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R, cette pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont dé sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 540°C par échange de chaleur avec un débit résiduaire provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une postcombustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle. Les fumées sont rejetées de la chaudière.
La première turbine T1 est couplée au compresseur 13 d'un appareil de séparation d'air C produisant un débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 bars et éventuellement à un générateur G. Alternativement ou additionnellement, un surpresseur d'air BC d'un appareil de séparation d'air peut être entraîné par la première turbine T1 et produit un débit d'air 15 à entre 12 et 40 bars. La deuxième turbine T2 entraîne un générateur G.
Additionnellement, une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T3 peut être installée en parallèle de la turbine T1 et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine T1. Cette turbine T1 peut entraîner un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz).
Dans la Figure 5, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 5400C, puis est détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 3000C formant le débit 9. Le débit 9 retourne alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 540°C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R, cette pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 5400C par échange de chaleur avec un débit résiduaire provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une postcombustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle. Les fumées sont rejetées de la chaudière.
La première turbine T1 est couplée au surpresseur d'air BC d'un appareil de séparation d'air et produit un débit d'air 15 à entre 12 et 40 bars. Elle est éventuellement couplée aussi à un générateur G. La deuxième turbine T2 entraîne au compresseur 13 d'un appareil de séparation d'air C produisant un débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 bars et éventuellement un générateur G.
Additionnellement, une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T3 peut être installé en parallèle de la turbine T1 et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine T1. Cette turbine T1 peut entraîner un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz).
Additionnellement, une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T4 peut être installé en parallèle de la turbine T2 et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine T2. Cette turbine T4 peut entraîner un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz).
Dans la Figure 6, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 5400C, puis est détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 3000C formant le débit 9. Le débit 9 retourne alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 540°C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R, cette pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont dé sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 5400C par échange de chaleur avec un débit résiduaire provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une postcombustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle. Les fumées sont rejetées de la chaudière.
La première turbine T1 est couplée au compresseur 13 d'un appareil de séparation d'air C produisant un débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 bars et éventuellement à un générateur G. Le surpresseur d'air BC d'un appareil de séparation d'air est entraîné par la deuxième turbine T2 et produit un débit d'air 15 à entre 12 et 40 bars. La deuxième turbine T2 entraîne éventuellement un générateur G.
Additionnellement, une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T3 peut être installée en parallèle de la turbine T1 et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine T1. Cette turbine T1 peut entraîner un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz).
Additionnellement, une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T4 peut être installée en parallèle de la turbine T2 et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine T2. Cette turbine T4 peut entraîner un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz).
Dans la Figure 7, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 540°C, puis est détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 3000C formant le débit 9. Le débit 9 retourne alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 5400C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R, cette pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont dé-sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 540°C par échange de chaleur avec un débit résiduaire provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une postcombustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle. Les fumées sont rejetées de la chaudière.
La première turbine T1 est couplée au compresseur d'un premier appareil de séparation d'air C produisant un débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 bars et éventuellement à un générateur G.
La deuxième turbine T1 est couplée au compresseur C d'un deuxième appareil de séparation d'air, produisant un débit d'air 13' à une pression entre 5 et 12 bars, et éventuellement à un générateur G.
La Figure 8 illustre un cycle où deux chaudières B1B' sont intégrées.
La Figure 9 illustré un cycle dans lequel deux chaudières B1 ,B2 sont utilisées. Dans ce cas de la vapeur haute pression 101 provenant d'une première chaudière B1 est mélangé avec de la vapeur haute pression 107 provenant d'une deuxième chaudière B2 pour former un débit 109. Ce débit commun 109 est détendu dans une turbine T1. Un débit de vapeur 103 est soutiré en intermédiaire de la turbine T1 et un débit 105 détendu dans toute la turbine T1 est refroidi, pompé et recyclé dans la deuxième chaudière B2. Le débit 103 est renvoyé à la première chaudière B1 où il se réchauffe. Le débit réchauffé 9 est détendu dans une turbine T2 qui entraîne au moins un compresseur C d'un appareil de séparation d'air. La vapeur détendu est recyclée à la première chaudière après refroidissement R' et pompage P'.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de génération de travail à cycle de vapeur d'eau dans lequel : a) on détend la vapeur d'eau dans une première turbine (T1 ,T1 ') à partir d'une haute pression, généralement au-dessus de 50 bars, et une température élevée jusqu'à une pression intermédiaire ; b) on réchauffe la vapeur d'eau à pression intermédiaire sans modifier substantiellement sa pression ; c) on détend dans une deuxième turbine (T2,T2') de la vapeur d'eau réchauffée à la pression intermédiaire jusqu'à une basse pression, typiquement subatmosphérique, et une basse température ; d) on condense au moins une partie du débit détendu dans la deuxième turbine pour former un débit condensé ; e) on pressurise, éventuellement en deux étapes, au moins une partie du débit condensé pour former un débit pressurisé ; f) on réchauffe au moins une partie du débit pressurisé pour former un débit réchauffé ; g) on envoie au moins une partie du débit réchauffé à la première turbine et h) on comprime un fluide destine à ou provenant d'un appareil de séparation d'air dans au moins un compresseur (C1BC) couplé à au moins une des première et deuxième turbines.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel au moins une partie du travail généré par au moins une des première et deuxième turbines (T1 ,T2,T1 ',T2') sert à générer de l'électricité.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la première turbine (T1 ,T1 ') et/ou la deuxième turbine (T2,T2') entraîne(nt) un compresseur principal (C1C) d'un appareil de séparation d'air et/ou un surpresseur (BC) d'air d'un appareil de séparation d'air et/ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation d'air et/ou un générateur.
4. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel la première turbine et la deuxième turbine (T1 ,T2,T1 ',T2') sont sur une même ligne d'arbre et entraînent un compresseur d'air (C, BC) d'un appareil de séparation d'air ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation et éventuellement aussi un générateur.
5. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel une ou plusieurs turbines auxiliaires sont installées en parallèle de la première turbine ou de la deuxième turbine (T1 ,T2,T1 ',T2'), la ou les turbines auxiliaires entraînant possiblement un générateur (G) et/ou un compresseur de gaz combustible et/ou un compresseur de gaz produit par l'unité de séparation d'air.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'étape b) et/ou f) a (ont) lieu au moins partiellement dans au moins une chaudière (B,B1 ,B2).
7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel au moins une chaudière (B,B1 ,B2) est alimentée par un gaz résiduaire (1 ) d'une turbine à gaz, la turbine à gaz étant éventuellement alimenté par un gaz provenant de l'appareil de séparation d'air et éventuellement alimenté par un gaz provenant d'un procédé sidérurgique.
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7 dans lequel au moins une chaudière (B,B1 ,B2) est chauffé par combustion d'un combustible, éventuellement provenant d'un procédé sidérurgique, en présence d'un gaz contenant de l'oxygène.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 ou 5 à 8 quand celles-ci ne sont pas dépendantes de la revendication 4 dans lequel la première et la deuxième turbine (T1 ,T2,T1 ',T2') ne sont pas sur la même ligne d'arbre.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une des première et deuxième turbines (T1 ,T2,T1 ',T2') entraîne un premier compresseur (C )qui comprime un fluide destiné à ou provenant d'un premier appareil de séparation d'air et un deuxième compresseur (C) qui comprime un fluide destiné à ou provenant d'un deuxième appareil de séparation d'air.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une des première et deuxième turbines (T1 ,T2,T1 ',T2') est sur le même arbre qu'une troisième turbine faisant partie d'un cycle de vapeur indépendante.
12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel le cycle de vapeur indépendante est un cycle de Rankine avec réchauffage.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on réchauffe la vapeur d'eau à pression intermédiaire sans modifier substantiellement sa pression dans une première chaudière (B1 ), une partie (107) de la vapeur destiné à la première turbine (T1 ) provient d'une deuxième chaudière (B2) et de la vapeur (105) détendue à une basse pression dans la première turbine est renvoyée vers la deuxième chaudière après refroidissement et pompage.
14. Cycle à vapeur d'eau comprenant une première et une deuxième turbine(T1 ,T2,T1 ',T2'), des moyens pour envoyer un débit de vapeur d'eau à haute pression dans la première turbine (T1 ,T1 '), des moyens pour réchauffer le débit détendu dans la première turbine, ces moyens comprenant éventuellement une chaudière (B), des moyens pour envoyer la vapeur d'eau réchauffée à la deuxième turbine (T2,T2') pour le détendre jusqu'à une basse pression, typiquement subatmosphérique, et une basse température, et des moyens (C1C1BC) pour comprimer un fluide destine à ou provenant d'un appareil de séparation d'air dans au moins un compresseur couplé à au moins une des première et deuxième turbines.
15. Cycle selon la revendication 14 comprenant un générateur d'électricité couplé à au moins une des première et deuxième turbines (T1 ,T2,T1 ',T2').
EP09711757A 2008-02-18 2009-02-17 Intégration d'un appareil de séparation d'air et d'un cycle à réchauffage de vapeur Withdrawn EP2247832A2 (fr)

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